步进电机细分控制原理及仿真分析
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电流下降期间需预防参 考电压降到0点时电流无法降 到0的情况。否则会导致电流 未减到0而开始换向，会产生 较大噪声。可以使用快衰减 或适当增大线圈电阻。也可 对波形进行校正。
步进电机仿真模型
步进电机仿真分析
低速情况下，电机电流变化率要求较低，电流变化能及时随参考电平信号变化，即 电流是标准的正余弦形式。这样转矩大小基本恒定，电机运行平稳，噪音低。通过李沙 育波形可以间接反应出正余弦和转矩情况。图形较圆，表示电机转矩大小恒定。
步进电机控制
双相四线步进电机
0.9度步进电机，定子8槽，转子为永磁体。两端N、S极各100齿错开。
步进电机简要理论
A
B
－A
－B
N
S
SN SNS NS NS
定子 转子
A
ຫໍສະໝຸດ Baidu
B
－A
－B
N
S
SN SNS NSNS
定子 转子
A
B
－A
－B
S
N
N SN SNS NSN
定子 转子
A
B
－ A
－B
S
N
SN S N S N S N S N
因为各齿相邻，最终
计算得合转矩为：
KT×i×cos（α－θe）。 对α－θe趋于0，合力矩 为i×KT。近似恒定值。
步进电机脉冲控制原理
1 0. 9 A B
A B
传统的步进电机脉冲 控制是用一对相位差90度 的方波来驱动步进电机的A、 B相线圈电流，以达到定向 转动的目的。
以A相线圈通电超前B 相90度时，方向为正。当 线圈B相超前A相90度通电 时，电机反方向转。控制 两相线圈导通脉冲的相位 就能控制步进电机的转向。 每1/4周期电机行进一个步 进角0.9度。通过控制脉冲 的频率就可以控制电机的 转速。
的地方还希望能邮件指正或在个人网页留言。 • 最近比较忙，这份笔记只列出一些简要的知识点和图，适合有一些理
论基础和实践经验的人看。等过段时间稍轻闲一点的话会整理一份详 细些的步进电机控制的资料，到时候会在个人网页里面发布。
步进电机控制原理
A3988电机驱动芯片内部 框图
1） PHASE1/2/3/4分别 控制1/2/3/4线圈电流的 方向。
2） VREF1/2/3/4分别控 制1/2/3/4线圈电流的大 小。
3） VREF1/2为一对，分 别用正余弦（半波）驱 动。PHASE1/2在相应 VREF1/2波形的过0点切 换。
可以增大反馈电平（对应增加 电流或反馈电阻，但受效率及其它 问题约束）；也可以进行正余弦校 正，可以起到更好的效果。
步进电机仿真分析
电机速度较高时，线圈 电流上升速度明显滞后于参 考电平信号，导致电流变形。
电流上升期间回馈电压 一直小于参考电压，所以对 应的一对MOS管一直导通。减 小线圈电阻值或加大电压会 有改善。
步进电机仿真波形
上边蓝色为参考电平；黄色为 反馈电压；紫色和绿色为电感等效 串阻两端电压；红色正弦曲线是串 阻两端电压差，反应出电机内实际 电流。
电机速度较低时，线圈电流上 升速度和下降速度都能跟上参考电 平变化。电机运行平稳。
但需要注意当参考电平接近0 时，有一小段范围电机里的电流为 0，会导致极低速高细分时电机的短 暂停顿，感觉不连贯。
步进电机仿真分析
高速情况下，电机电流变化率要求较高，电流变化不能及时随参考电平信号变化， 即电流是失真的正余弦形式。这样转矩大小发生规律变化，电机运行出现抖动现象，噪 音增大。通过李沙育波形可以看出正余弦和转矩情况，该情况下会出现较大周期性噪声 并影响结构寿命。应尽可能避免这种情况发生在机械结构的共振点。
定子 转子
轮流对AB相通电，电机转子定向转动。
A相磁通链：
ΦA= ΦMAX×cos(Ntθm) ΦMAX为磁通链最大
值；为转子变位角。
转矩为磁通链对于角
度的导数和电流值的乘积。
单相转矩：
TA = -KT×i×sin(Ntθm) = -KT×i×sinθe 对AB相电流分别为
i×cosα， i×sinα
结束语
• 电机控制看似简单，但涉及到极广泛的学科理论。电、磁、场、材料、 结构、力学、数学、甚至半导体特性……想深入的进行理解并达到很 好的应用效果需要大量的知识积累和大量的实验分析。让电机转起来 很容易，但让电机转好却是很有难度的。而且往往随着应用场合的不 同，关注点和控制方式也有很大差异。
• 通过自建模型结合仿真可以对电机控制有比较好的理解。 • 因为接触电机控制时间不长，精力有限，还没来得及深入。理解有误
步进电机仿真模型
1） 电机：使用6.8mH,内阻为2.7欧。R＋L简化模型。 2）驱动波形：以转台最高转速450度/秒为参照，考虑0.9度步进电机和1：4的机械 变比，可以使用50V/500Hz交流电源，经全桥整流再分压得到一对近似的正余弦（半 波）。并且产生同步的相位信号。 3）电机驱动芯片：按A3988的模块框图及行为描述进行简要的电路模型建立。为减 小仿真运算量，并简化电路，全部使用快衰减方式。电流关断时间通过RC设置为与 A3988一致的30us。 4）反馈回路：反馈电阻取1欧。为简化电路，省略反馈1/3分压。
步进电机细分控制原理
细分控制方法是通过精确控制步进电机的A、B相电流，分别按照正余弦曲线 变化。这样产生的合力矩大小恒定，径向分力极小。将1个步进角（即0.9度） 分成128个微步，通过控制两相电流，可以停到其中任一个微步的位置上。图2 为正向时A、B相线圈的电流波形示意图。
以X点为例，A、B相分别通以电流Ixa、Ixb时，两相线圈合力使转子可以稳 定停在X点上。由于电机不是跳跃转动，相对传统控制方案，只需要较小的转 矩就可以实现不丢步启动。因为要精确控制两相线圈的电流，而且电流需要换 向，即存在正负两种电流，所以硬件电路设计和控制算法都比较复杂。
步进电机仿真模型
步进电机仿真分析
低速情况下，电机电流变化率要求较低，电流变化能及时随参考电平信号变化，即 电流是标准的正余弦形式。这样转矩大小基本恒定，电机运行平稳，噪音低。通过李沙 育波形可以间接反应出正余弦和转矩情况。图形较圆，表示电机转矩大小恒定。
步进电机控制
双相四线步进电机
0.9度步进电机，定子8槽，转子为永磁体。两端N、S极各100齿错开。
步进电机简要理论
A
B
－A
－B
N
S
SN SNS NS NS
定子 转子
A
ຫໍສະໝຸດ Baidu
B
－A
－B
N
S
SN SNS NSNS
定子 转子
A
B
－A
－B
S
N
N SN SNS NSN
定子 转子
A
B
－ A
－B
S
N
SN S N S N S N S N
因为各齿相邻，最终
计算得合转矩为：
KT×i×cos（α－θe）。 对α－θe趋于0，合力矩 为i×KT。近似恒定值。
步进电机脉冲控制原理
1 0. 9 A B
A B
传统的步进电机脉冲 控制是用一对相位差90度 的方波来驱动步进电机的A、 B相线圈电流，以达到定向 转动的目的。
以A相线圈通电超前B 相90度时，方向为正。当 线圈B相超前A相90度通电 时，电机反方向转。控制 两相线圈导通脉冲的相位 就能控制步进电机的转向。 每1/4周期电机行进一个步 进角0.9度。通过控制脉冲 的频率就可以控制电机的 转速。
的地方还希望能邮件指正或在个人网页留言。 • 最近比较忙，这份笔记只列出一些简要的知识点和图，适合有一些理
论基础和实践经验的人看。等过段时间稍轻闲一点的话会整理一份详 细些的步进电机控制的资料，到时候会在个人网页里面发布。
步进电机控制原理
A3988电机驱动芯片内部 框图
1） PHASE1/2/3/4分别 控制1/2/3/4线圈电流的 方向。
2） VREF1/2/3/4分别控 制1/2/3/4线圈电流的大 小。
3） VREF1/2为一对，分 别用正余弦（半波）驱 动。PHASE1/2在相应 VREF1/2波形的过0点切 换。
可以增大反馈电平（对应增加 电流或反馈电阻，但受效率及其它 问题约束）；也可以进行正余弦校 正，可以起到更好的效果。
步进电机仿真分析
电机速度较高时，线圈 电流上升速度明显滞后于参 考电平信号，导致电流变形。
电流上升期间回馈电压 一直小于参考电压，所以对 应的一对MOS管一直导通。减 小线圈电阻值或加大电压会 有改善。
步进电机仿真波形
上边蓝色为参考电平；黄色为 反馈电压；紫色和绿色为电感等效 串阻两端电压；红色正弦曲线是串 阻两端电压差，反应出电机内实际 电流。
电机速度较低时，线圈电流上 升速度和下降速度都能跟上参考电 平变化。电机运行平稳。
但需要注意当参考电平接近0 时，有一小段范围电机里的电流为 0，会导致极低速高细分时电机的短 暂停顿，感觉不连贯。
步进电机仿真分析
高速情况下，电机电流变化率要求较高，电流变化不能及时随参考电平信号变化， 即电流是失真的正余弦形式。这样转矩大小发生规律变化，电机运行出现抖动现象，噪 音增大。通过李沙育波形可以看出正余弦和转矩情况，该情况下会出现较大周期性噪声 并影响结构寿命。应尽可能避免这种情况发生在机械结构的共振点。
定子 转子
轮流对AB相通电，电机转子定向转动。
A相磁通链：
ΦA= ΦMAX×cos(Ntθm) ΦMAX为磁通链最大
值；为转子变位角。
转矩为磁通链对于角
度的导数和电流值的乘积。
单相转矩：
TA = -KT×i×sin(Ntθm) = -KT×i×sinθe 对AB相电流分别为
i×cosα， i×sinα
结束语
• 电机控制看似简单，但涉及到极广泛的学科理论。电、磁、场、材料、 结构、力学、数学、甚至半导体特性……想深入的进行理解并达到很 好的应用效果需要大量的知识积累和大量的实验分析。让电机转起来 很容易，但让电机转好却是很有难度的。而且往往随着应用场合的不 同，关注点和控制方式也有很大差异。
• 通过自建模型结合仿真可以对电机控制有比较好的理解。 • 因为接触电机控制时间不长，精力有限，还没来得及深入。理解有误
步进电机仿真模型
1） 电机：使用6.8mH,内阻为2.7欧。R＋L简化模型。 2）驱动波形：以转台最高转速450度/秒为参照，考虑0.9度步进电机和1：4的机械 变比，可以使用50V/500Hz交流电源，经全桥整流再分压得到一对近似的正余弦（半 波）。并且产生同步的相位信号。 3）电机驱动芯片：按A3988的模块框图及行为描述进行简要的电路模型建立。为减 小仿真运算量，并简化电路，全部使用快衰减方式。电流关断时间通过RC设置为与 A3988一致的30us。 4）反馈回路：反馈电阻取1欧。为简化电路，省略反馈1/3分压。
步进电机细分控制原理
细分控制方法是通过精确控制步进电机的A、B相电流，分别按照正余弦曲线 变化。这样产生的合力矩大小恒定，径向分力极小。将1个步进角（即0.9度） 分成128个微步，通过控制两相电流，可以停到其中任一个微步的位置上。图2 为正向时A、B相线圈的电流波形示意图。
以X点为例，A、B相分别通以电流Ixa、Ixb时，两相线圈合力使转子可以稳 定停在X点上。由于电机不是跳跃转动，相对传统控制方案，只需要较小的转 矩就可以实现不丢步启动。因为要精确控制两相线圈的电流，而且电流需要换 向，即存在正负两种电流，所以硬件电路设计和控制算法都比较复杂。